СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СФЕРИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ И ГРАНУЛ Российский патент 2009 года по МПК B22F9/10 B22F9/08 

Описание патента на изобретение RU2361698C1

Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошковой металлургии и способам получения металлических порошков, главным образом, из жаропрочных никелевых сплавов.

Известен способ получения сферических порошков и гранул, включающий вращение цилиндрической металлической заготовки вокруг вертикальной оси, оплавление торца заготовки электронным лучом, отрыв расплавленных частиц от кромки торца заготовки под действием центробежных сил и затвердевание частиц при полете в вакууме (см. патент Франции №2253591, кл. B22F 9/00, опубл. 1975 г.). Для реализации способа необходима большая горизонтально расположенная рабочая камера диаметром около 4-х метров, которую сложно изготовить и которая занимает большую производственную площадь.

Известен также способ получения сферических порошков и гранул, включающий вращение цилиндрической металлической заготовки вокруг горизонтальной оси, оплавление торца заготовки электрической дугой, горящей между заготовкой и нерасходуемым электродом, отрыв расплавленных частиц от кромки торца заготовки под действием центробежных сил и затвердевание частиц при полете в атмосфере инертного газа (см. патент США №3752610, кл. 425-6, опубл. 1973 г.). В данном случае рабочая камера имеет диаметр около 2 м, и вследствие ее вертикальной установки она занимает мало места. Однако для плавления дугой необходим подвод электрического тока большой величины к заготовке, вращающейся с большой скоростью, перемещающейся поступательно и заменяющейся на новую после расплавления, что представляет собой почти неразрешимую техническую задачу.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по сущности и совокупности признаков является способ получения сферических порошков и гранул, включающий вращение цилиндрической заготовки вокруг горизонтальной оси, оплавление торца заготовки плазменной струей дугового плазмотрона, отрыв расплавленных частиц от кромки торца заготовки под действием центробежных сил и затвердевание частиц при полете в газовой среде (см. патент Российской Федерации №1106093, кл. В22F 9/02, опубл. 27.05.1995 г.). Использование независимого источника нагрева - дугового плазмотрона, не нуждающегося в подводе электрического тока к заготовке, позволяет значительно упростить процесс вращения, перемещения и замены распыляемых заготовок. Рабочая камера, заполненная инертным газом, имеет небольшие размеры, поэтому затраты на изготовление камеры и на производственную площадь, занимаемую камерой, невелики.

Недостатком указанного способа-прототипа является его склонность к образованию пористости внутри порошков (гранул), что обусловлено следующим. Расплавленные частицы, оторвавшиеся от кромки торца заготовки, разлетаются в вертикальной плоскости в виде диска. При этом расплавленные частицы, летящие вверх, сталкиваются с уже затвердевшими частицами, падающими вниз. Распыленные сферические частицы имеют разные размеры, и некоторые мелкие твердые частицы при столкновении с более крупными расплавленными частицами протыкают их с образованием каналов или пустот. Это приводит к снижению качества изделий, получаемых из порошков-гранул, и даже вынуждает браковать некоторые изделия. При этом наличие недопустимой внутригранульной пористости выявляется только после изостатического прессования и термообработки изделий, что приводит к непроизводительным затратам вследствие непреднамеренного изготовления бракованных изделий.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи снижения пористости в распыляемых частицах и, следовательно, на достижение технического результата в виде повышения качества и уменьшения брака изделий, производимых из полученных порошков и гранул.

Эта задача решается тем, что в способе получения сферических порошков и гранул, включающем вращение цилиндрической заготовки вокруг горизонтальной оси, оплавление торца заготовки плазменной струей дугового плазмотрона, отрыв расплавленных частиц от кромки торца под действием центробежных сил и затвердевание частиц при полете в газовой среде, в отличие от известных технических решений, в данном способе в процессе оплавления формируют на торце заготовки вогнутую полость, диаметр которой равен диаметру заготовки, а глубина полости составляет от 0,1 до 0,35 диаметра заготовки.

В сравнении со способом-прототипом в предлагаемом способе расплавленные частицы разлетаются не в плоскости диска, а по конической поверхности, образованной касательной к криволинейной поверхности упомянутой вогнутой полости, сходной по форме с шаровым сегментом. Частица металла, оторвавшаяся от кромки торца заготовки, пребывает в расплавленном состоянии на расстоянии 100-300 мм от заготовки, затем затвердевает, теряет скорость и на расстоянии 600-900 мм от заготовки падает вниз. Поскольку движение частиц происходит по конической поверхности, зона падения твердых частиц удалена от зоны разлета расплавленных частиц, и столкновение частиц, приводящее к пористости, устраняется.

Диаметр вогнутой полости должен быть равен диаметру заготовки. Если на торце заготовки формировать полость диаметром меньше диаметра заготовки, то разлет частиц будет происходить в плоскости диска, как в способе-прототипе. При неглубокой полости, глубиной менее 0,1 диаметра заготовки, разлет частиц также происходит практически в плоскости диска, и преимущества предлагаемого способа не проявляются. При глубине полости более 0,35 диаметра заготовки торец приобретает форму короны, заостренные края которой отрываются центробежными силами в виде крупных бесформенных частиц.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - схема разлета частиц при получении порошков известным способом;

на фиг.2 - то же согласно предлагаемому способу;

на фиг.3 - то же при формировании вогнутой полости диаметром меньше диаметра заготовки.

Возможность осуществления изобретения и достижения указанного выше технического результата подтверждается следующими примерами получения сферических порошков и гранул.

Отливали слитки из жаропрочного никелевого сплава ЭП 741НП и обтачивали их на цилиндрические заготовки диаметром 75 мм и длиной 700 мм. Заготовки 1 загружали в герметичную камеру диаметром 2000 мм установки центробежного распыления УЦР-4М. Заготовки вращали вокруг горизонтальной оси со скоростью 9000 об/мин. Торец 2 заготовки 1 оплавляли плазменной струей 3 дугового плазмотрона 4 мощностью 70 кВт. Под действием центробежной силы расплавленные частицы 5 отрывались от кромки 6 торца заготовки, затвердевали при полете в инертной атмосфере (смесь 20% аргона и 80% гелия) и падали вниз в виде закристаллизовавшихся частиц 7. При распылении каждой заготовки получали 22-24 кг сферического порошка (гранул) размером от 50 до 315 мкм. Эту партию порошка отбирали для исследования. Затем, не нарушая герметичности установки, загружали и распыляли следующую заготовку с отбором от нее отдельной партии порошка.

Распыление одной заготовки провели без формирования вогнутой полости, то есть согласно способу-прототипу (см. пример 1, фиг.1). В процессе оплавления других заготовок на их торцах 2 формировали вогнутые полости 8 посредством изменения расхода газа через плазмотрон (т.е. посредством изменения напора плазменной струи 3) и перемещения плазмотрона 4 относительно оси вращения заготовки 1 (см. примеры 2-7, фиг.2 и 3). Размеры вогнутой полости 8 - диаметр D и глубину h - определяли после окончания распыления всех заготовок путем обмера недоплавленных остатков заготовок (огарков).

Партию порошка от каждой заготовки просеивали, отбирая крупные фракции от 200 до 315 мкм. Эти гранулы приклеивали к пластине, шлифовали и протравливали. Поле шлифа просматривали под микроскопом, подсчитывали количество пор размером более 50 мкм, и число обнаруженных дефектных частиц относили к 1000 шт. частиц, подвергнутых испытанию.

Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1 №№ примера Схема разлета частиц Диаметр вогнутой полости D, мм Глубина вогнутой полости h, мм Количество пористых частиц на 1000 шт. гранул, шт. Примечание 1 Фиг.1 Отсутствует Отсутствует 16÷20 Способ-прототип 2 Фиг.2 D=d=75 мм h=0,1d=7,5 мм 6÷8 Соответствует изобретению 3 Та же Тот же h=0,24d=18 мм 4÷5 4 Та же Тот же h=0,35d=26 мм 4÷5 5 Та же Тот же h<0,ld=5 мм 11÷13 Выход за пределы заявленных параметров способа 6 Та же Тот же h>0,35d=30 мм Отрыв частиц размером до 5 мм 7 Фиг.3 D<d=60 мм h=15 мм 15÷18

В примере 1 (способ-прототип) оплавление торца заготовки происходит без формирования вогнутой полости (см. фиг.1). Зона А разлета расплавленных частиц 5 и зона Б падения твердых частиц 7 находятся в одной вертикальной плоскости. Поэтому вероятность столкновения и взаимного проникновения частиц 5 и 7 заметно велика. Количество пористых частиц составляет 1,6÷2,0%.

В примерах 2-4 (предлагаемый способ) на торце 2 заготовки имеется вогнутая полость 8, диаметр D которой равен диаметру заготовки d. Распыление частиц происходит по касательной к кривой, описывающей форму полости 8, от кромки 6, то есть по конической поверхности. Поэтому зоны существования расплавленных частиц 5 (зона А) и затвердевших частиц 7 (зона Б) разнесены в пространстве по горизонтали. Вероятность столкновения встречно движущихся частиц значительно снижается. Количество пористых частиц составляет 0,4÷0,8%.

В примере 5 глубина h вогнутой полости 8 меньше 0,1 диаметра заготовки d. Угол касательной, по которой разлетаются частицы, приближен к вертикали настолько, что данный пример почти не имеет преимуществ перед примером 1. Количество пористых частиц составляет 1,1÷1,3%.

В примере 6 полость 8 настолько глубока, что торцевая часть заготовки приобретает форму короны с заостренными краями, которые разрушаются центробежными силами еще в твердом состоянии. Процесс распыления сопровождается сильной вибрацией вращающейся заготовки 1, выход годных фракций порошка значительно снижается. Вследствие непригодности данного режима для реализации изобретения, пористость частиц не оценивали.

В примере 7 полость 8 имеет диаметр D меньше диаметра заготовки d (см. фиг.3). Однако расплавленные частицы отрываются не от края лунки 8, а от кромки 6. Это вызвано тем, что оплавляемый слой из полости 8 перетекает в оплавленный слой, расположенный на плоской части торца 2 заготовки, а также тем, что центробежные силы, дробящие расплав, на окружности D меньше, чем на окружности d. Поэтому распыление частиц происходит, как в примере 1, в вертикальной плоскости, и по количеству пористых частиц (1,5÷1,8%) данный режим мало отличается от способа-прототипа.

Таким образом, способ получения сферических порошков и гранул согласно изобретению решает задачу уменьшения пористости в распыляемых частицах. Это позволяет достигнуть технический результат, выражающийся в повышении качества изделий, производимых из полученных порошков и гранул, а также снижении брака данных изделий.

Предложенный способ опробован в производственных условиях при получении сферических порошков-гранул из жаропрочных никелевых сплавов.

Похожие патенты RU2361698C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ 2011
  • Гарибов Генрих Саркисович
  • Кошелев Виктор Яковлевич
  • Сухов Дмитрий Игоревич
RU2468891C1
Способ получения сферического порошка из интерметаллидного сплава 2015
  • Логачёва Алла Игоревна
  • Логачев Иван Александрович
  • Степкин Евгений Петрович
RU2614319C2
Способ получения металлических порошков или гранул 2020
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Князев Андрей Евгеньевич
  • Мин Павел Георгиевич
  • Востриков Алексей Владимирович
  • Бакрадзе Михаил Михайлович
  • Вадеев Виталий Евгеньевич
  • Мин Максим Георгиевич
  • Новожилов Алексей Николаевич
RU2760905C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНОВОЙ ДРОБИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2014
  • Береснев Александр Германович
  • Логачёва Алла Игоревна
  • Логачев Иван Александрович
  • Степкин Евгений Петрович
RU2564768C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНОВЫХ ГРАНУЛ 2014
  • Береснев Александр Германович
  • Логачёва Алла Игоревна
  • Логачев Иван Александрович
  • Степкин Евгений Петрович
RU2581545C2
Способ формирования металлических порошков для аддитивных технологий в плазмотронной установке под воздействием ультразвука 2019
  • Иванченко Александр Александрович
  • Балахнин Владимир Сергеевич
  • Корепин Иван Николаевич
  • Ващилло Антон Анатольевич
  • Кузьменко Роман Андреевич
RU2714001C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНОВЫХ ГРАНУЛ 2014
  • Береснев Александр Германович
  • Логачёва Алла Игоревна
  • Логачев Иван Александрович
  • Степкин Евгений Петрович
  • Дьяков Валерий Вячеславович
  • Константинов Виктор Вениаминович
  • Кузнецов Сергей Юрьевич
RU2574906C1
Способ формирования металлических порошков для аддитивных технологий в плазмотронной установке с сортировкой по массе в электрическом поле 2019
  • Иванченко Александр Александрович
  • Балахнин Владимир Сергеевич
  • Корепин Иван Николаевич
  • Ващилло Антон Анатольевич
  • Кузьменко Роман Андреевич
RU2745551C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОРОШКА МЕТОДОМ ЦЕНТРОБЕЖНОГО РАСПЫЛЕНИЯ 2011
  • Старовойтенко Евгений Иванович
RU2475336C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СФЕРИЧЕСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2018
  • Кошлаков Владимир Владимирович
  • Ризаханов Ражудин Насрединович
  • Ситников Николай Николаевич
RU2699431C1

Реферат патента 2009 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СФЕРИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ И ГРАНУЛ

Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошковой металлургии и способам получения металлических порошков, главным образом, из жаропрочных никелевых сплавов. Вращают цилиндрическую заготовку вокруг горизонтальной оси. Оплавляют торец заготовки и формируют вогнутую полость с диаметром, равным диаметру заготовки, и глубиной 0,1-0,35 от диаметра заготовки путем изменения расхода газа через плазмотрон и перемещения плазмотрона относительно оси вращения заготовки. Распыляют расплавленные частицы под действием центробежных сил по конической поверхности, образованной касательной к криволинейной поверхности вогнутой полости. Обеспечивается снижение пористости в распыляемых частицах, повышение их качества и уменьшение брака изделий, производимых из полученных порошков и гранул. 1 табл., 3 ил.

Формула изобретения RU 2 361 698 C1

Способ получения сферических порошков, включающий вращение цилиндрической заготовки вокруг горизонтальной оси, оплавление торца заготовки плазменной струей дугового плазмотрона с обеспечением распыления расплавленных частиц под действием центробежных сил и затвердевания частиц при полете в газовой среде, отличающийся тем, что на торце заготовки формируют вогнутую полость, диаметр которой равен диаметру заготовки, а глубина - 0,1-0,35 диаметра заготовки, путем изменения расхода газа через плазмотрон и перемещения плазмотрона относительно оси вращения заготовки, а распыление расплавленных частиц осуществляют по конической поверхности, образованной касательной к криволинейной поверхности вогнутой полости.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2361698C1

SU 1106093 A1, 27.05.1995
Установка для получения порошка распылением вращающейся заготовки 1974
  • Аношкин Николай Федорович
  • Мусиенко Виктор Тарасович
  • Кононов Иван Афанасьевич
  • Митрофанов Алексей Ефимович
  • Катков Олег Петрович
SU497097A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛ 1993
  • Родников В.А.
  • Куликов А.Ф.
  • Гусев Г.А.
  • Струев И.И.
  • Антоненко Б.В.
  • Кольцов А.Т.
RU2038194C1
US 5958105 A, 28.09.1999.

RU 2 361 698 C1

Авторы

Давыдов Артур Керопович

Миронов Виктор Иванович

Кононов Сергей Александрович

Казённов Виктор Константинович

Фаткуллин Олег Хикметович

Каринский Виктор Николаевич

Куцын Виктор Иванович

Даты

2009-07-20Публикация

2008-03-19Подача